ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA …
Transcript of ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA …
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE
UNA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A
PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL
CACTUS NOPAL EN COLOMBIA.
TRABAJO FIN DE MASTER
MÁSTER UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES
Autor: Lenin Duvan Duque Batista Director: José Pablo Delgado Marín
Cartagena, Julio 2020
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 7
ABSTRACT ............................................................................................................................... 8
OBJETIVOS .............................................................................................................................. 9
1. GENERALIDADES ........................................................................................................... 10
1.1 PANORAMA ACTUAL................................................................................................... 10
1.2 BIOGÁS ................................................................................................................... 13
2. MARCO LEGAL DE COLOMBIA ...................................................................................... 16
2.1 ACTORES PUBLICOS................................................................................................ 16
2.1.1 Ministerio de Minas y Energía (MME). ........................................................... 16
2.1.2 Comisión de Regulación de Energía y Gas (CREG). .............................................. 16
2.1.3 Unidad de Planeación Minero Energética (UPME ............................................... 17
2.1.4 Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones ........................................ 17
2.2 ACTORES PRIVADOS ............................................................................................... 17
2.2.1 Corporación para la Energía y el Medioambiente (CORPOEMA ......................... 17
2.2.2 SER Colombia ....................................................................................................... 17
2.2.3 Asociación Colombiana de Generadores de Energía Eléctrica (ACOLGEN) ......... 17
2.2.4 Asociación Colombiana de Distribuidores de Energía Eléctrica (ASOCODIS). ..... 17
2.2.5 Asociación Colombiana de Energías Renovables (ACER ...................................... 18
2.3 EVOLUCIÓN DEL MARCO LEGAL DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN COLOMBIA 18
2.4 VENTA DE ENERGÍA ELECTRICA .................................................................................. 27
3. BIOMASA ...................................................................................................................... 28
3.1 LOCALIZACIÓN DEl proyecto .................................................................................. 28
3.2 CARACTERÍSTICAS ....................................................................................................... 32
3.2.1 Proceso de cultivo ............................................................................................... 34
3.2.2 Productividad ....................................................................................................... 35
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
3.2.3 Valor energético .................................................................................................. 35
4. PROCESO DE GENERACIÓN ........................................................................................... 37
4.1 PRODUCCIÓN DE BIOMASA ................................................................................... 38
4.2 RECOLECCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO ............................................................... 39
4.3 BIODIGESTIÓN ........................................................................................................ 40
4.4 TRATAMIENTO DEL BIOGÁS ................................................................................... 41
4.5 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA ................................................................... 42
4.6 CONEXIÓN A RED ................................................................................................... 42
5. BIODIGESTOR ................................................................................................................ 44
5.1 TIPOS DE DIGESTORES ........................................................................................... 44
5.1.1 Reactor mezcla completa ............................................................................... 45
5.1.2 Reactor de flujo pistón ................................................................................... 46
5.1.3 Reactor UASB .................................................................................................. 48
5.1.4 Reactor de dos fases ....................................................................................... 49
5.2 VOLUMEN DEL REACTOR ............................................................................................ 49
5.3 DIMENSIONES DEL DIGESTOR .................................................................................... 50
5.4 CARACTERISTICAS DEL BIOGÁS .............................................................................. 51
5.4.1 Poder Calorífico del Biogás .................................................................................. 52
5.5 SELECCIÓN DEL BIODIGESTOR ............................................................................... 54
6. EQUIPOS DE GENERACIÓN ELECTRICA ......................................................................... 56
6.1 DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR ............................................................................ 56
6.2 SELECCIÓN DEL MOTOR.............................................................................................. 57
5.5.1 Características técnicas .................................................................................. 59
6.3 SALA DE MÁQUINAS ................................................................................................... 61
6.4 DISPOSICION FINAL DE LAS INSTALACIONES .............................................................. 62
7. ANÁLISIS ECONOMICO Y MEDIOAMBIENTAL ............................................................... 64
7.1 COSTOS PRIMARIOS ............................................................................................... 64
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
7.1.1 Costos de inversión (CAPEX) ........................................................................... 64
7.1.2 Costos de Operación OPEX .................................................................................. 66
7.2 INGRESOS ............................................................................................................... 68
7.2.1 Ingresos por venta de energía ........................................................................ 68
7.3 Ingresos por bonos de carbono.......................................................................... 70
7.4 VIABILIDAD ECONOMICA ....................................................................................... 72
7.5 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD .................................................................................... 76
8. CONCLUSIONES ............................................................................................................. 78
Bibliografía ............................................................................................................................ 80
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
LISTA DE TABLAS
TABLA 1. GENERACIÓN DE EE POR VECTOR. ....................................................................................12
TABLA 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS OBTNEIDO A PARTIR DE LA DIGESTIÓN
ANAERÓBICA DEL NOPAL ...............................................................................................................41
TABLA 3. CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR DE MEZCLA COMPLETA. ...........................................45
TABLA 4. CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR FLUJO PISTÓN ...........................................................47
TABLA 5. ESTIMACIÓN VOLUMEN DEL DIGESTOR ........................................................................50
TABLA 6. DIMENSIONES DEL REACTOR ..........................................................................................51
TABLA 7. PRODUCCIÓN DE BIOGÁS ANUAL ......................................................................................52
TABLA 8. CARACTERÍSTICAS POR COMPONENTES DEL BIOGÁS ...................................................52
TABLA 9. APORTE CALORÍFICO POR COMPUESTO DEL BIOGÁS ...................................................53
TABLA 10. PODER CALORÍFICO DEL BIOGÁS ..................................................................................53
TABLA 11. MATRIZ DE COMPARACIÓN ENTRE TECNOLOGÍA DE REACTORES. ............................54
TABLA 12. MATRIZ DE SELECCIÓN DEL REACTOR .........................................................................55
TABLA 13. ENERGÍA GENERADA .....................................................................................................57
TABLA 14. COMPARACIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS. ................................................................58
TABLA 15. FICHA TÉCNICA GENERADOR ........................................................................................60
TABLA 16.FICHA TÉCNICA MOTOR .................................................................................................60
TABLA 17. CARACTERÍSTICAS SALA DE MÁQUINAS. .....................................................................61
TABLA 18. RELACIÓN DE COSTOS DE INVERSIÓN..........................................................................65
TABLA 19. COSTOS DE INVERSIÓN- CAPEX ....................................................................................65
TABLA 20. ESTRUCTURA SALARIAL ................................................................................................67
TABLA 21. COSTOS DE OPERACIÓN OPEX......................................................................................68
TABLA 22. INGRESOS POR VENTA DE ENERGÍA PERIODO 1 .........................................................70
TABLA 23. INGRESOS POR BONO DE CARBONO P1 ......................................................................72
TABLA 24. VAN – TIR .......................................................................................................................73
TABLA 25. AMORTIZACIÓN .............................................................................................................74
Tabla 26. CARACTERÍSTICAS ECONÓMICAS ......................................................................................76
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.Generación Promedio Diaria de Energía Eléctrica ..............................................................11
Figura 2. Aplicaciones del biogás .....................................................................................................14
Figura 3. Evolución del Marco Legal en Colombia ...........................................................................19
Figura 4. Metas de Ahorro Energético a 2022. .................................................................................24
Figura 5. Localización del terreno.....................................................................................................28
Figura 6. Vista 3D de la localización del proyecto ............................................................................29
Figura 7. Plano de situación .............................................................................................................29
Figura 8. Área de plantación ............................................................................................................30
Figura 9. Localización de la Planta y Subestación, vista General ......................................................31
Figura 10. OPUNTIA FICUS- INDICA. .................................................................................................32
Figura 11. Preparación del terreno y acolchado ...............................................................................34
Figura 12. Etapas de la generación de energía a partir de biomasa .................................................37
Figura 13. Plantación de nopal ........................................................................................................38
Figura 14. Visualización del sustrato antes de ser bombeado ..........................................................39
Figura 15. Etapas de la generación de energía a partir de Nopal. ....................................................43
Figura 16. Clasificación de reactores ................................................................................................44
Figura 17. Sistema de digestión tipo mezcla completa.....................................................................46
Figura 18. Reactor UASB...................................................................................................................48
Figura 19. Poder Calorífico de los principales combustibles ............................................................51
Figura 20. Motor TEDOM .................................................................................................................59
Figura 21. Configuración y disposición de las instalaciones .............................................................62
Figura 22. Ubicación de las instalaciones .........................................................................................63
Figura 23. Precio del kwh en bolsa ..................................................................................................69
Figura 24. PROYECCIÓN PRECIOS KWH ............................................................................................70
Figura 25. Precios de carbono ..........................................................................................................71
Figura 26. VAN 4 escenarios .............................................................................................................77
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
INTRODUCCIÓN
Al día de hoy una de las principales problemáticas que tiene el hombre a nivel global, es el
continuo aumento de demanda energética, lo que ha favorecido al calentamiento global.
En los últimos años a nivel mundial se ha evidenciado un crecimiento desproporcionado
entre la energía que se genera y la energía que se está demandando, ocasionando un
desequilibrio energético, ya que con la matriz energética actual, es imposible crecer a nivel
de generación de energía a la misma velocidad a la que está creciendo la demanda. Al ritmo
actual y en un caso altamente probable de transición energética, al 2040 la humanidad
podría llegar a demandar 18 mil millones de toneladas equivalentes de petróleo (1), en los
cuales el gran protagonista seguiría siendo, el gas, el petróleo y el carbón.
Bajo la amenaza de perder la autosuficiencia energética Colombia está decidida a buscar
nuevas alternativas de generación de energía eléctrica, segmentando así el uso de los
combustibles fósiles principalmente al sector de transporte, dejando una amplia
oportunidad para nuevos proyectos de ingeniería en tema de generación de energía
eléctrica, tomando así el puesto que dejarán los hidrocarburos.
Colombia tiene el beneficio de tener condiciones climatológicas altamente óptimas para la
cosecha de todo tipo de frutas y verduras. Es por esto que se desarrolla un estudio técnico
económico de una planta de generación eléctrica a partir del biogás obtenido por la
digestión anaeróbica de una plantación de cactus del Nopal. El proyecto será llevado a cabo
en el departamento de Cundinamarca, en cercanías de la represa el Guavio, ubicada en el
centro del país. Con la productividad de nopal establecida y el acondicionamiento de la
biomasa, se calculan los valores de generación de energía eléctrica teóricos en función de
la productividad de biomasa.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
ABSTRACT
Currently, one of the main problems facing man around the world is the continuous increase
in energy demand, which has favored global warming. In recent years worldwide, there has
been a disproportionate growth between the energy that is generated and the energy that
is demanded, causing an energy imbalance, which with the current energy matrix, it is
impossible to grow to the level of energy generation in the same rate as demand grows. At
the current rate and in a highly probable case of energy transition, by 2040 humanity could
demand 18 billion tons of oil equivalent, in which the main protagonist would continue to
be gas, oil and coal.
Under the threat of losing energy self-sufficiency, Colombia is determined to seek new
alternatives for the generation of electrical energy, thus segmenting the use of fossil fuels
mainly in the transport sector, leaving ample opportunities for new engineering projects in
the field of power generation, thus taking the position that hydrocarbons will leave.
Colombia has the benefit of having very optimal climatic conditions to harvest all kinds of
fruits and vegetables. This is the reason why an economic technical study of an electric
generation plant is developed from the biogas obtained by anaerobic digestion of Nopal.
The project will be carried out in the department of Cundinamarca, near the El Guavio dam,
located in the center of the country. With the established productivity of the prickly pear
and the conditioning of the biomass, the theoretical values of electricity generation are
calculated based on the productivity of the biomass.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
OBJETIVOS
Objetivo General
Demostrar la utilidad de las tecnologías basadas en la digestión anaeróbica de especies no
convencionales como herramienta de diversificación energética en países centro y
sudamericanos.
Para ello se va a analizar la viabilidad técnico-económica de obtener biogás a partir del
cactus el nopal para su posterior uso como combustible en la generación de energía
eléctrica por medio de motores de biogás.
Objetivos Específicos:
1. Conocer las generalidades del cactus nopal.
2. Explicar los parámetros óptimos de plantación del nopal
3. Conocer el marco regulatorio colombiano para el desarrollo de proyectos de
energías renovables.
4. Explicar la metodología técnica requerida para la obtención de biogás y la
generación de electricidad a partir de nopal.
5. Dimensionar las instalaciones necesarias para desarrollar el proyecto.
6. Describir y seleccionar los equipos más idóneos para el proyecto.
7. Determinar la viabilidad económica de la generación de energía a partir de la
digestión anaeróbica de Nopal en Colombia
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
1. GENERALIDADES
Las últimas crisis en el sector de hidrocarburos, la necesidad de mantener la seguridad
energética y el compromiso por la preservación del medio ambiente y reducción de
emisiones de CO2 a la atmosfera han hecho que Colombia, comience a incursionar en las
energías renovables a un paso más acelerado de lo que lo venía haciendo en los últimos
años. El desarrollo de nuevas tecnologías a nivel mundial ha hecho que las energías
renovables no convencionales cada vez sean más competitivas en la canasta energética,
permitiéndoles ingresar en la matriz de energía con mayor porcentaje de participación.
1.1 PANORAMA ACTUAL
Al día de hoy la matriz energética en materia de generación de energía eléctrica de
Colombia, tiene tres grandes participantes, como lo son la generación a partir de fuentes
hídricas en embalse o filo de agua, la generación a partir de combustible gaseoso y por
medio del carbón. Aunque el mayor porcentaje de participación esté en la generación a
partir de los recursos hídricos, con una aportación de 55.07% en el caso de los embalses y
5.44% para centrales de agua fluyente (2), todavía hay una dependencia hacia los recursos
no renovables. La energía hidráulica se considera como una fuente renovable, pero esta no
se considera como una fuente de energía renovable no convencional, por lo que el gran
objetivo del país es aumentar la participación de las demás vectores energéticos, que
permitan disminuir la dependencia en la generación de energía eléctrica de los recursos
fósiles y así poder establecer una canasta de energía mucho más eficiente y con menor
impacto al medio ambiente.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 1.Generación Promedio Diaria de Energía Eléctrica (XM. Informe General del
Mercado, Febrero 2020.)
Los recursos renovables por la gran aportación de las fuentes hídricas permiten que la
canasta de generación sea en mayor porcentaje para la fuentes renovables con un 61.99%,
dejando a las fuentes no renovables con el 38.01%. El biogás actualmente en la generación
de energía eléctrica, tiene un aporte muy poco significativo, lo que permite concluir que
hay una gran oportunidad en la generación de energía eléctrica a partir de la transformación
de la biomasa en biocombustible. Según el reporte generado por la empresa XM, para el
mes de Febrero, el biogás en Colombia sólo tuvo una aportación en la canasta de 0.00619%
sobre el total de energía eléctrica generada, para ese mes, lo que indica que es una de las
tecnologías con menos aportación a la matriz de generación eléctrica actual.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Tabla 1. Generación de EE por vector.
Fuente. XM. Informe General del Mercado, Febrero 2020.
Colombia se ha caracterizado por establecer una economía alrededor del desarrollo de los
combustibles fósiles, lo que le ha permitido establecer y mantener una seguridad energética
por muchos años. Esta está siendo amenazada por el agotamiento de los yacimientos
petrolíferos maduros, y por la falta de inversión en campañas de exploración de nuevos
yacimientos. Es por esto que buscar una alternativa eficaz para poder mantener y prolongar
la seguridad energética está siendo el principal objetivo del país, objetivo que puede ser
alcanzado con el desarrollo conjunto de las energías renovables no convencionales.
Según el Global Energy Architecture Performance Index Report de 2017 elaborado por
World Economic Forum en colaboración con Accenture, clasifican a Colombia entre los 10
países con mayor potencial para la generación de energía a partir de fuentes no
convencionales de energía renovable (3). Según el reporte Colombia se encuentra ubicado
en la octava posición, detrás de España, dejándola como el país latinoamericano con mayor
potencial en materia de energías renovables. La ubicación geográfica con la que cuenta
Colombia, muy cerca de la línea del ecuador, sus dos mares y sus diferentes niveles térmicos
le permiten tener ese gran potencial para el desarrollo de energías renovables
convencionales y no convencionales como la energía hidráulica, la biomasa, la energía
eólica, y la energía solar fotovoltaica.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
1.2 BIOGÁS
El biogás es el gas obtenido a partir de la degradación de la materia orgánica (biomasa),
principalmente bajo procesos de digestión anaeróbica. El gas obtenido bajo este proceso, y
como pasa de igual forma en el gas natural fósil el principal componente es el metano (CH4),
que en conjunto con el dióxido de carbono (CO2), ácido sulfhídrico (H2S), nitrógeno, oxígeno
(O2) y el agua (H2O) forman la mezcla del biogás. Dependiendo del origen y el tipo de
materia orgánica empleada para la obtención del gas, el porcentaje de metano varía entre
el 50% y el 75%, y el porcentaje de dióxido de carbono podría variar entre el 25% y 50% (4),
siendo los principales componentes del biogás y dejando entre un 2% a 8% el contenido de
las demás sustancias. El poder calorífico del biogás varía ente 19.7 y 23.3 MJ/Nm3 (5)y
depende principalmente del porcentaje de metano presente en la mezcla.
El biogás es producido gracias a un proceso descomposición de la materia orgánica por
micro bacterias en ausencia de oxígeno, denominado digestión anaeróbica. Aunque las
bacterias son el agente principal en la descomposición, pueden existir grupos tróficos
superiores involucrados como el protozoo o los hongos anaeróbicos (6). El proceso de
generación se da principalmente en cuatro pasos: hidrolisis, acidificación, producción de
ácido acético y la producción de metano. Si el gas producido es llevado a un tratamiento en
donde pasa por un proceso de desulfuración y deshidratación el biogás puede alcanzar
porcentajes de metano de hasta 98%, dejándolo con propiedades muy similares a las del
gas natural.
En la digestión anaeróbica se debe dar en un ambiente de condiciones óptimas, que permita
a las bacterias la degradación eficiente de la materia orgánica. La digestión se debe dar en
ausencia de aire para que sea un proceso anaeróbico, la temperatura dentro del reactor
debe ser uniforme, se debe contar con un suministro óptimo de nutrientes, y el pH debe
ser el óptimo y debe ser uniforme en todo el proceso.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 2. Aplicaciones del biogás (Generation of heat power from biogas for stationary applications)
El gas tratado puede ser convertido en electricidad o en calor por medio de unidades de
cogeneración (CHP, por sus siglas en inglés), en el mismo punto donde la materia prima es
generada, lo que ofrece beneficios de costo en materia de transporte. Las plantas de
cogeneración sueles estar constituidas por motores alternativos, turbinas de gas o de vapor
o si es el caso, motores dispuestos para utilizar como fuente primaria, biocombustibles. La
electricidad es generada a partir de la transformación de la energía mecánica que ha sido
previamente transformada de energía contenida en el combustible en energía mecánica y
calor residual. En los sistemas de cogeneración usualmente se emplean motores de cuatro
tiempos o motores diésel, pero el biogás puede ser usado en más aplicaciones, como lo son
para impulsar motores o turbinas o como combustible en motores Stirling, turbinas de gas,
pilas de combustible o una mezcla entre turbinas de gas y pilas de combustible.
El gas deshidratado y desulfurado, además de aplicaciones para la generación eléctrica y
generación de calor, puede ser usado en todas las aplicaciones cotidianas que se le dan al
gas natural, es decir como combustible para motores, con la ventaja que reducen las
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
emisiones de contaminantes a la atmosfera ya que es considerado como un biocombustible
neutral en emisiones de CO2, reduciendo la huella de carbono. Según la federación
colombiana de biocombustibles, los biocombustibles ahorran entre el 74% y el 100% de las
emisiones de CO2 si se tiene en consideración todo su ciclo de vida, es decir desde la
producción agrícola de la materia orgánica hasta la combustión del biogás en el motor, con
una tasa de ahorro anual de emisiones equivalente a 2,5 millones de toneladas de CO2 (7).
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
2. MARCO LEGAL DE COLOMBIA
Las energías renovables y en especial las energías renovables no convencionales son un
tema que ha tenido poco desarrollo en la matriz energética colombiana, provocando que
en la actualidad la matriz energética de Colombia, dependa en gran medida de fuentes de
energía no renovables, como el carbón y combustibles fósiles y de fuente de energías
renovables convencionales, como la hidráulica. Es así por lo que el sistema jurídico
energético colombiano no incluye en la canasta energética a las energías renovables no
convencionales como componente central, por cuanto la normativa nacional desde la ley
143 de servicios públicos de 1994, se ha enfocado principalmente en fomentar las energías
renovables sin implementar grandes reformas estructurales al sistema que permitan hacer
de las energías renovables el componente principal de la economía colombiana.
La regulación colombiana siempre ha tenido un gran enfoque al desarrollo económico, la
preservación medioambiental y la eficiencia energética, en la que desde sus inicios ha
tenido tanto actores públicos como actores privados.
2.1 ACTORES PUBLICOS
2.1.1 MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA (MME). Tiene como función principal el
formular y adoptar las políticas dirigidas al aprovechamiento sostenible de los recursos
mineros y energéticos para contribuir al desarrollo económico y social del país.
2.1.2 COMISIÓN DE REGULACIÓN DE ENERGÍA Y GAS (CREG). Prepara proyectos de
ley para someter a la consideración del gobierno, y recomendarle la adopción de los
decretos reglamentarios que se necesiten para regular la prestación de los servicios
públicos domiciliarios de energía eléctrica, gas combustible y servicios públicos de
combustibles líquidos, de manera técnica, independiente y transparente para así promover
el desarrollo de estos sectores.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
2.1.3 UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA (UPME). Es la unidad
administrativa especial del orden nacional, de carácter técnico, encargada de planear de
forma integral, permanente y coordinada el desarrollo y aprovechamiento de los recursos
mineros y energéticos, con los agentes del sector. De igual forma, producir y divulgar la
información requerida para la formulación de política y toma de decisiones.
2.1.4 INSTITUTO DE PLANIFICACIÓN Y PROMOCIÓN DE SOLUCIONES Energéticas
para las Zonas No Interconectadas (IPSE). Ejecuta los lineamientos y las políticas, a través
de los planes, programas y proyectos de infraestructura energética, incentivando los
procesos productivos, elevando la calidad de las poblaciones de su jurisdicción, de manera
tecnológica económica, ambienta y socialmente sostenible.
2.2 ACTORES PRIVADOS
2.2.1 CORPORACIÓN PARA LA ENERGÍA Y EL MEDIOAMBIENTE (CORPOEMA).
Promueve la eficiencia energética y el aprovechamiento sostenible de los recursos naturales
en todas las actividades económicas, implementando proyectos destinados a mejorar la
productividad de las empresas.
2.2.2 SER COLOMBIA. Es la asociación de Energías Renovables encargada de representar
los intereses de los miembros ante las dependencias y entidades del sector público,
asociaciones, cámaras y organismos privados, naciones e internacionales.
2.2.3 ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE GENERADORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA
(ACOLGEN). Participan en la formulación de políticas públicas y regulatorias, que buscan
promover la competitividad y eficiencia del sector de generación de energía eléctrica. De
igual forma participan activamente en el desarrollo e implementación de los nuevos marcos
regulatorios y legales del sector eléctrico.
2.2.4 ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE DISTRIBUIDORES DE ENERGÍA ELÉCTRICA
(ASOCODIS). Es la entidad que congrega a las principales empresas distribuidoras y
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
comercializadoras de energía eléctrica que atienden usuarios regulados y no regulados a lo
largo y ancho de Colombia.
2.2.5 ASOCIACIÓN COLOMBIANA DE ENERGÍAS RENOVABLES (ACER). Establece y
refuerza las colaboraciones entre los miembro de la comunidad de las energías renovables
nacional e internacional, incluyendo lo relacionado con los aspectos académico, científico,
industrial y tecnológico.
2.3 EVOLUCIÓN DEL MARCO LEGAL DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES EN
COLOMBIA
Colombia tuvo un inicio tardío con respecto al desarrollo de las energías renovables, pero
desde que inicio ha tenido una evolución significativa, lo que ha permitido que al día de hoy
tenga una reglamentación con gran incentivo hacia el desarrollo de proyectos de energías
renovables. Colombia dio su primer gran paso con respecto a la reglamentación de las
energías renovables no convencionales en el año 2001, con la llamada ley del Etanol
Carburante y su segundo gran paso lo da en el año 2004 con la denominada ley del biodiesel.
Gracias a estas dos reglamentaciones se desarrollaron proyectos de biocombustibles
exitosos, llevando el primer gran caso de éxito al año 2005, en donde el 3 de octubre del
mismo año se pone en producción etanol a base de caña de azúcar y posteriormente la
producción de biodiesel en el año 2008 a base de aceite de palma (8).
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 3. Evolución del Marco Legal en Colombia (Elaboración propia)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
2.3.1 LEY 693 DE 2001. La denominada ley del Etanol Carburante, por el cual se dictan
normas sobre el uso de alcoholes carburantes, se crean los estímulos para su producción,
comercialización y consumo. En donde las gasolinas, diésel y aceite combustible para
motores (ACPM) que se utilicen en el país deberán contener componentes oxigenados
como los alcoholes, en la cantidad y calidad establecido por el Ministerio de Minas y
Energías.
2.3.2 LEY 697 DE 2001. Ley mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la
energía como asunto de interés social, público y de conveniencia nacional. De igual forma
se promueve la utilización de energías alternativas, para asegurar el abastecimiento
energético pleno y oportuno.
2.3.3 LEY 788 DE 2002. Mediante la cual se brinda la exención al impuesto de la renta
sobre los ingresos derivados de la venta de energía eléctrica generada a partir de fuentes
renovables como los residuos agrícolas, la energía eólica y la biomasa.
2.3.4 LEY 934 DE 2004. Se estimula la producción y comercialización de biocombustibles
de origen vegetal o animal para el uso en Motores diésel. De igual forma se definen los
biocombustibles y los productos que podrían ser considerados como tal.
2.3.5 DOCUMENTO CONPES 3510. Por el cual se establecieron los lineamientos de
política orientada a promover la producción sostenible de Biocombustibles en Colombia,
aprovechando las oportunidades de desarrollo económico y social que ofrecen los
mercados emergentes de biocombustibles para aquel entonces. De esa manera se busca
expandir los cultivos de biomasa conocido en el país y diversificar la canasta energética,
dentro de un marco de producción eficiente y sostenible que permita competir en el
mercado nacional e internacional.
2.3.6 LEY 1215 DE 2008. Se adoptaron las medidas en materia de generación de energía
eléctrica, exonerando a los cogeneradores a pagar la contribución de 20% sobre su propio
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
consumo de energía proveniente de la energía generada a partir de su proceso de
cogeneración.
2.3.7 DOCUMENTO CREG-085 DE 2008. Se establecieron los requisitos y condiciones
técnicas para los procesos de producción combinada de energía eléctrica y térmica para
acogerse a la Ley 1215 de 2008 de cogeneración.
2.3.8 RESOLUCIÓN 18-0912 DE 2010. Por el cual se adoptó el Plan de Acción Indicativo
de 2010 a 2015 para desarrollar el programa de Uso Racional y Eficiente y demás formas de
Energía No Convencionales (PROURE), que contribuirá a asegurar el abastecimiento
energético pleno y oportuno, la competitividad económica colombiana, la protección al
consumidor y la promoción del uso de energías no convencionales de manera sostenible en
el ambiente y los recursos naturales.
2.3.9 LEY 1665 DE 2013. En el cual se aprobó el estatuto de la Agencia Internacional de
Energías Renovables (IRENA), que buscaba promover la implantación y el uso generalizado
y reforzados de las energías renovables con objeto de lograr un desarrollo sostenible. El
estatuto fue inspirado en el convencimiento de que las energías renovables ofrecen
oportunidades incalculables para abordar y mitigar de forma gradual los problemas
derivados de la seguridad energética y la inestabilidad de los precios de la energía.
2.3.10 RESOLUCIÓN 153 DE 2013 – CREG. Mediante la cual se estableció el reglamento
sobre los contratos de suministro de combustible de origen agrícola para el cargo por
confiabilidad para las plantas de cogeneración.
2.3.11 LEY 1715 DE 2014. Por medio de la cual se reguló la integración de las energías
renovables no convencionales al sistema energético nacional. La Ley tiene como principal
objetivo promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía,
principalmente aquellas de carácter renovables, en el sistema energético nacional,
mediante su integración al mercado eléctrico, su participación en las zonas no
interconectadas y en otros usos energéticos como medio necesario para el desarrollo
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
económico sostenible, la reducción de gases de efecto invernadero y la seguridad del
abastecimiento energético. De igual forma la ley busca promover la gestión eficiente de la
energía, comprendiendo tanto la respuesta a la demanda, como la eficiencia energética.
La finalidad de la ley fue establecer el marco regulatorio y los instrumentos que permitieran
la promoción de las fuentes no convencionales de energía renovable, fomentando la
inversión, investigación y desarrollo de tecnologías limpias para producción de energía, la
eficiencia energética y la respuesta a la demanda, en el marco de la política energética
colombiana. A su vez se orientan las políticas públicas y se definen los instrumentos
tributarios, arancelarios, contables y de participación en el mercado energético
colombiano. Se establecieron los mecanismos de cooperación y coordinación entre el
sector público, el sector privado y los usuarios para el desarrollo de fuentes no
convencionales de energía renovable.
2.12.12 DECRETO 2469 DE 2014. En este decreto expedido por el Ministerio de Minas
y Energías se establecieron los lineamientos de política energética en materia de entrega
de excedentes de autogeneración, estableciendo una simetría en las condiciones de
participación en el mercado mayorista entre los generadores y auto-generadores a gran
escala.
2.12.13 DECRETO 2492 DE 2014. Decreto expedido por el Ministerio de Minas y
Energías en donde se adoptaron las disposiciones en materia de implementación de
mecanismos de respuesta de la demanda, estableciendo lineamientos tendientes a
promover la gestión eficiente de la energía.
2.3.14 RESOLUCIÓN 024 DE 2015 – CREG. Expedida desde la comisión de regulación
de energía y gas, y mediante la cual se regula la actividad de autogeneración a gran escala
en el sistema interconectado nacional (SIN). Se define a un generador de gran escala como
aquel en donde la potencia generada máxima supera el límite para los auto-generadores a
pequeña escala establecido por la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME).
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
2.3.15 RESOLUCIÓN 281 DE 2015 – UPME. Por la cual se definen los límites máximos
de potencia de la autogeneración a pequeña escala. Se establece como límite máximo de
potencia de autogeneración para pequeña escala en 1 MW, y que corresponde a la
capacidad instalada del sistema de generación de energía.
2.3.16 DECRETO 2143 DE 2015. Se modifican los lineamientos para la aplicación de los
incentivos establecidos en la Ley 1715 de 2014. Donde los contribuyentes declarantes del
impuesto sobre la renta y complementarios que realicen directamente nuevas erogaciones
en investigación, desarrollo e inversión en el ámbito de la producción y utilización de
energía a partir de fuentes no convencionales de energía o gestión eficiente de la energía,
tendrán derecho a deducir hasta el cincuenta por ciento (50%) del valor total de las
inversiones en un periodo no mayor a 5 años. De igual forma se excluyen de IVA la compra
de equipos, elementos y maquinaria nacional o importada, o la adquisición de servicios
dentro o fuera del territorio nacional que se destinen a nuevas inversiones y pre inversiones
para la producción y utilización de energía a partir de fuentes no convencionales.
2.3.17 RESOLUCIÓN 1283 DE 2016 - MADS. Fue la resolución expedida por el
Ministerios de Ambiente y Desarrollo Sostenible mediante la cual se establecieron los
procedimientos y requisitos para la expedición de las certificaciones de beneficio ambiental
por nuevas inversiones en proyectos de fuentes no convencionales de energías renovables
y gestión eficiente de la energía, que permiten obtener los beneficios tributarios.
2.3.18 DECRETO 348 DE 2017. Se establecieron nuevos lineamientos de política pública
en materia de gestión eficiente de la energía y entrega de excedentes de autogeneración a
pequeña escala. Donde los operadores de red sólo podrán negar la conexión de auto
generadores a pequeña escala por razones de carácter técnico debidamente sustentadas.
Los generadores con capacidad instalada menor o igual a 0.1MW no tienen la obligación de
suscribir un contrato de respaldo de disponibilidad de capacidad de red. Para el caso de
auto-generadores que utilicen fuentes no convencionales de energía renovables, los
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
excedentes que entreguen a la red de distribución se reconocerán mediante un esquema
de medición bidireccional, como créditos de energía.
2.3.19 RESOLUCIÓN 1988 DE 2017. Esta resolución del Ministerio de Ambiente y
Desarrollo Sostenible tuvo como objeto, el establecer las metas ambientales y de eficiencia
energéticas para el año 2022.
Figura 4. Metas de Ahorro Energético a 2022. (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. Resolución
1988 de 2017. Artículo 1)
Las medidas que se toman para cumplir los objetivos son: Para el sector del transporte, la
reconversión a gas natural vehicular en transporte público de pasajeros y el uso de
transporte eléctrico en las principales ciudades del país. Para el sector industrial, se
tomaron medidas de eficiencia energética en energía eléctrica, en combustibles sólidos
para calor directo o indirecto y en gas natural. En el sector terciario se establecen medidas
de eficiencia energética en energía eléctrica, mejora en el diseño, la construcción y la
adecuación arquitectónica de edificaciones e implementos modernos de medición. Por
ultimo en el sector residencial se promueven medidas de eficiencia energética en
iluminación, y en las características de las edificaciones.
2.3.20 DECRETO 570 DE 2018. Mediante el cual se adiciona al Decreto Único
Reglamentario del Sector Administrativo de Minas, lo relacionado con los lineamientos de
política pública para la contratación a largo plazo de proyectos de generación de energía
eléctrica. A su vez tiene como objetivo fortalecer la resiliencia de la matriz de generación
de energía eléctrica ante eventos de variabilidad y cambio climático a través de la
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
diversificación del riesgo, promoviendo la competencia y aumentando la eficiencia en la
formación de precios a través de la contratación de largo plazo de proyectos de energía
eléctrica. Se promueve la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero del sector
de generación eléctrica de acuerdo con los compromisos adquiridos por Colombia en la
Cumbre Mundial de Cambio Climático en Paris (COP21).
2.3.21 RESOLUCIÓN 030 DE 2018. Por la cual se regulan las actividades de
autogeneración a pequeña escala y generadores entre 1MW y menores o iguales a 5MW y
de generación distribuida en el Sistema Interconectado Nacional. Donde se puede resaltar
principalmente que la energía entregada a la red debe ser igual o menor al 15% de la
capacidad nominal del circuito, transformador o subestación donde se solicita el punto de
conexión. La cantidad de energía en una hora que se puede entregar, para un sistema de
producción de energía distinto a energía fotovoltaica sin capacidad de almacenamiento,
conectador al mismo circuito o transformador del nivel de tensión 1, no debe superar el
50% de promedio anual de las horas de mínima demanda diaria de energía registradas para
el año anterior al de solicitud de conexión.
2.3.22 RESOLUCIÓN 038 DE 2018. Mediante la cual se regulan los aspectos operativos
y comerciales para permitir la integración de la autogeneración a pequeña y gran escala en
las zonas no interconectadas. Se clasifican los sistemas de distribución de las zonas no
interconectada por niveles, en función de la tensión nominal de operación, donde el nivel 1
corresponde a sistemas con tensión nominal menor a 1kV, nivel 2 mayor o igual a 1kV y
menor a 30kV y nivel 3 mayor o igual a 30kV.
2.3.23 RESOLUCIÓN 703 DE 2018. Por el cual se establecen los procedimientos y los
requisitos para obtener la certificación que avala los proyectos de fuentes no
convencionales de energía, con miras de obtener el beneficio de la exclusión del IVA y la
exención de gravamen arancelario. Para obtener la certificación se deben cumplir todos los
requisitos estipulados por la UPME, y que avalará que el proyecto está siendo o será
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
desarrollado utilizando fuentes no convencionales de energía. Esta certificación emitida por
la UPME, es indispensable para obtener la certificación de beneficio ambiental ante la
Autoridad Nacional de Licencias Ambientales (ANLA). La certificación emitida por la UPME,
tendrá una vigencia de 24 meses, a partir de la fecha de su expedición.
2.3.24 LEY 1955 DE 2019. Mediante la cual se expide el plan nacional de desarrollo 2018
– 2022, denominado “Pacto por Colombia, Pacto por La Equidad”. El plan tiene como
objetivo principal establecer las bases de legalidad, emprendimiento, y equidad que
permitan lograr la igualdad de oportunidades para todos los colombianos, en concordancia
con un proyecto a largo plazo con el que Colombia alcance los Objetivos de Desarrollo
Sostenible 2030.
Con base en la normativa anteriormente mencionada se puede concluir que el proyecto
tiene beneficios tributarios importantes, como lo son la deducción especial en la
determinación del impuesto sobre la renta, en donde se tendrá derecho a deducir hasta el
50% del valor de la inversión realizada, por los 5 años siguientes al año gravable en que se
haya hecho la inversión. Para obtener este beneficio, se deberá obtener una certificación
de beneficio ambiental expedida por el ministerio de ambiente y ser debidamente
certificada como tal por el Ministerio de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible
Depreciación acelerada, gasto que la ley permite que sea deducible al momento de declarar
impuesto sobre la renta, por un porcentaje valor del activo que no puede superar el 20%
anual. La tasa podrá ser variada anualmente, con previa comunicación a la DIAN, siempre y
cuando no se exceda el límite señalado anteriormente. Exclusión del IVA, por la compra de
bienes y servicios o equipos ya sean de procedencia nacional o internacional.
Exención de gravámenes arancelarios por la importación de equipos, maquinaria,
materiales e insumos destinados exclusivamente para labores dentro del proyecto. Dicha
exención debe ser solicitada a la DIAN con un mínimo de 15 días hábiles antes de la
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
importación de la maquinaria en donde se certifique la finalidad de los equipos con la
certificación emitida por el Ministerios de Minas y Energía.
2.4 VENTA DE ENERGÍA ELECTRICA
Los lineamientos para la venta de energía eléctrica en el Sistema Interconectado Nacional,
vienen dados por la resolución 086 de 1996, donde se reglamentó la actividad de plantas
menores a 20 MW. A partir de ese momento se estableció que los generadores con potencia
nominal menor a 20MW podrían vender la energía directamente a una comercializadora
sin convocatoria pública, siempre y cuando no exista vinculación económica entre el
comprador y el vendedor. En este caso, el precio de venta será única y exclusivamente el
precio en la Bolsa de Energía en cada una de las horas correspondientes.
De igual forma la energía generada puede ser ofrecida a una comercializadora que atienda
al mercado regulado, por medio de las convocatorias públicas que se realicen. En este caso
la adjudicación se efectúa por mérito de precio. Como última opción los generadores de
pequeña escala pueden vender la energía a precios pactados libremente a usuarios no
regulados, generadores o comercializadores que destinen dicha energía a la atención
exclusiva de usuarios no regulados.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
3. BIOMASA
El nopal ha sido ha empleado como fruta para el consumo humano por mucho tiempo, pero
desde hace unos pocos años atrás e impulsado por el estado de México, ha tenido un
desarrollo y una incursión en la industria energética a nivel global, ya que gracias a los
proyectos desarrollados se ha puesto en evidencia el gran potencial que tiene esta planta
para la generación de biocombustible.
3.1 LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO
La materia prima, que en este caso corresponde a materia lignocelulosa proveniente del
nopal se obtendrá de la plantación experimental seleccionada para el estudio. La plantación
se encuentra ubicada en el departamento de Cundinamarca en el centro del país, en
inmediaciones de la represa El Guavio cerca de la capital colombiana Bogotá. La zona tiene
coordenadas de 4°44’ 27” N 73° 34’ 22” W y presenta una elevación de 1.619 metros sobre
el nivel del mar.
Figura 5. Localización del terreno
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 6. Vista 3D de la localización del proyecto
Figura 7. Plano de situación
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
La parcela cuenta con un área aproximada de 230 ha, (ver figura 8) y un perímetro de 9.630
m. Para el proyecto se ha denominado la zona de estudio como CA-01 y la cual inicialmente,
para los estudios de caracterización de la biomasa a nivel de laboratorio se realiza una
plantación de 10 Ha, posteriormente y como fase de productividad a mediana escala, se
expande la plantación hasta 100 Ha en el segundo cuatrimestre del año y dejando la
posibilidad de aumentar hasta 200 Ha el área de cultivo en 1 año.
Figura 8. Área de plantación
El acceso a la parcela se debe hacer por la Carretera 50 Bogotá – Guatavita, por lo que una
de las formas más fáciles de llegar es partiendo desde la capital Colombiana, en sentido
Gama, Cundinamarca. Aproximadamente a 20 km del predio se encuentra ubicada la
Subestación Gacheta- Junín CODENSA. En una primera aproximación, se va a analizar la
viabilidad técnica de conectarse a dicha estación.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 9. Localización de la Planta y Subestación, vista General
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
3.2 CARACTERÍSTICAS
El nopal (Opuntia ficus-indica), también conocido como la pera de cactus o el higo chumbo,
es cultivado en muchas partes alrededor del mundo, tanto en zonas áridas como en zonas
semi- áridas, ya que por su fácil adaptación a los mecanismos de ayuda para su cultivo,
puede tolerar una amplia gama de condiciones climáticas (9).
El nopal se caracteriza por tener una altura aproximada de 3 a 5 m de alto, su tronco se va
volviendo leñosos a medida que pasa el tiempo y puede llegar a alcanzar altura de entre 20
cm a 50 cm de diámetro en periodos de tiempo muy largos. Para un periodo de producción
de seis meses el tronco llega a medir aproximadamente 20 cm de diámetro y genera ramas
constituidas por pencas o cladodios, de forma aplanada que varía en medidas aproximadas
entre 30 cm a 60 cm de largo, entre 20cm a 40 cm de ancho y de 2 cm a 3 cm de espesor.
Sus ramas están formadas por cladodios de color verde opaco con areolas espinosas. Las
pencas están recubiertas por una cutícula del tipo lipídica, con intercalaciones de estomas,
los cuales durante el día permanecen cerrados.
Figura 10. OPUNTIA FICUS- INDICA. (Anexo 2. Plant Production and Protection Paper 169)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Opuntia ficus, tiene algunas ventajas sobre otro tipo de cultivos empleados para la
generación de biogás, como lo es la eficiencia en el uso del agua, en donde el nopal presenta
una eficiencia de tres veces mayor en este proceso sobre las plantas de tipo C4 como el maíz
o la caña de azúcar (10), empleadas usualmente para la producción de biocombustibles. Las
plantas pertenecientes al ciclo de Calvin 4 conocidas como C4 son aquellas que pueden
reducir al mínimo la fotorrespiración separando la fijación inicial de CO2 al del ciclo de Calvin
físicamente, al realizar estos pasos en tipos de células diferentes.
La fotorrespiración es una vía metabólica derrochadora que ocurre cuando la enzima
RubisCo del ciclo Calvin actúa sobre el oxígeno en vez del dióxido de carbono. Pero la gran
ventaja del nopal es que además de pertenecer al grupo de plantas C4, se pueden clasificar
dentro de las plantas CAM, siendo así una de las pocas especies cultivables que tiene el
metabolismo Acido de las Crasuláceas. Este tipo de plantas reducen al mínimo la
fotorrespiración y tienen un uso de agua más eficiente mediante la separación de las
reacciones dependientes de luz y el uso de CO2 en el ciclo Calvin en el tiempo, entre el día
y la noche. Por la noche, abren sus estomas para que el CO2 se difunda en las hojas y durante
el día mantienen sus estomas cerrados, pero llevan el proceso de fotosíntesis. Esto les
permite tener un uso muy eficiente del agua ya que por la noche, cuando la humedad tiende
a subir y la temperatura a bajar es cuando abren sus estomas permitiéndoles reducir la
pérdida de agua de las hojas.
Este tipo de beneficios hacen al nopal una fuente de generación de biogás altamente
competitivo con los cultivos convencionales, ya que no sólo tienen un valor energético alto,
sino que reducen el consumo de agua y ayudan a combatir el cambio climático ya que por
su alto consumo de CO2 durante la noche, pueden llegar a aportar beneficios considerables
en esta materia.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
3.2.1 PROCESO DE CULTIVO
Como medida inicial para el proceso de cultivo se recomienda realizar una limpieza
exhaustiva del terreno, donde se involucren arbustos no deseados, hierbas o restos de
cosechas pertenecientes a cultivos anteriores. Para esta operación es recomendable el uso
de maquinaria específica para este fin como el uso de tractor y arado, y posteriormente
operaciones de rastra.
Una vez el terreno se encuentra en condiciones óptimas, se establecen los espaciamientos
mínimos entre pencas y se inicia el trazado de camas. Para este tipo de plantación se
recomienda una distancia entre 25 a 35 cm de distancia entre plantas y entre 70 cm y 1
metro de distancia entre surcos, contados desde el centro del cladodio.
Figura 11. Preparación del terreno y acolchado (Zitácuaro, Michoacán. Nopalimex. El oro verde de México)
Con los lineamientos definidos se inicia el arado del terreno a una profundidad entre 25 cm
a 30 cm, con el fin de eliminar la capa superficial del suelo en donde usualmente se
encuentran las plagas y nematodos. El proceso de plantación del nopal consiste en un
proceso simple, el mismo que se emplea en diferentes cultivos. Se crea el hoyo y se coloca
la penca de Opuntia Ficus de forma perpendicular para posteriormente recubrirla de 10 cm
a 15 cm del cladodio. Es recomendable aplicar abono mineralizado o hecho a base de
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
composta a un ratio de 100 ton/ha. La penca debe ser virgen de 6 meses a 1 año con sus
yemas periferales intactas y debe estar previamente tratada, para que tenga una mayor
longevidad.
El cuidado del cultivo recae principalmente en el proceso de poda, por lo que la técnica
empleada debe garantizar el cuidado de la planta. El tiempo de cosecha tarda entre 4 a 5
meses, por lo que en un año se tendrían 2 cosechas. El proceso de recolección se realiza de
manera manual, cortando las pencas superiores, sin afectar los brotes de renuevo que
pudiesen estar generándose. Una vez hecha la recolección, las pencas son almacenas para
pasar por un proceso de molienda, para finalmente ser dispuesta como materia prima del
biodigestor.
3.2.2 PRODUCTIVIDAD
Para el proyecto se estima una productividad teórica de 100 toneladas / ha / año y una
generación de biogás de 40 Nm3 por tonelada, por lo que se producirían hipotéticamente
4,000 m3 de biogás/ha/año. Sin embargo, se han registrado eficiencias mucho más altas,
como el caso en Michoacán, México, en donde se han citado rendimientos de nopal de
800t/ha/año, logrando una productividad máxima de biogás y energía de 32,000 m3/ha/año
y 56MWh/año y una potencia de 7 kW/ha.
3.2.3 VALOR ENERGÉTICO
La productividad energética del nopal, depende principalmente de dos factores: Del
rendimiento del cultivo en toneladas por hectárea de superficie cosechada y del
rendimiento del biogás, que está directamente ligado a su contenido de metano. El nopal
tiene un rendimiento energético alto que puede ser comparado con los cultivos empleados
en Europa para la producción de biogás expresados en función de la cantidad de materia
biodegradable, conocidos como sólidos volátiles.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Como ejemplo se tiene el maíz que tiene valores entre 205 m3 CH4/tonelada de solidos
volátiles y 450 m3 CH4/t sv, o como la cebada que tiene valores entre 353 m3 CH4/t sv y 658
m3 CH4/t sv (11). El nopal por su parte, y según los estudios de laboratorios realizados por
el Instituto de Investigaciones Eléctricas de México, ha alcanzado una producción entre 350
m3 CH4/t sv y 450 m3 CH4/t sv, equivalente a entre 30 y 40 m3 de biogás por tonelada de
nopal fresco.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
4. PROCESO DE GENERACIÓN
En el siguiente capítulo se van a detallar los procesos involucrados en cada una de las etapas
necesarias para la generación de energía eléctrica a partir del cactus Nopal. Es importante
recalcar que el enfoque del proyecto está dirigido hacia la parte de generación de energía,
por lo que los procesos involucrados en la materia prima quedan fuera del alcance del
trabajo. Sin embargo estas etapas serán analizadas y justificadas con el fin de aportar
argumentos a las decisiones tomadas en capítulos posteriores.
Un proyecto de generación de energía eléctrica a partir de biomasa tiene 6 grandes etapas
(Ver figura 12), y la cuales se detallaran brevemente a continuación.
Figura 12. Etapas de la generación de energía a partir de biomasa
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
4.1 PRODUCCIÓN DE BIOMASA
La producción de biomasa en este tipo de proyectos, es un pilar fundamental para éxito del
mismo, ya que las propiedades y las características obtenidas de la materia prima, van a
determinar la calidad del biogás y especialmente el contenido de metano del mismo.
Actualmente existen numerosas cantidades de materias primas con alto valor energético
de las cuales se pueden obtener biocombustibles si es el caso o altos rendimientos en la
generación de electricidad. Entre las más comunes se encuentran los cultivos de maíz, de
caña de azúcar o de cebada.
En este proyecto se analizan los cladodios de Opuntia Ficus Indica como principal y única
materia prima para la obtención de energía. La planta tiene muchas aplicaciones y sus
productos principales son el nopal verdura, la tuna, que es conocida como la fruta, el nopal
forrajero y el nopal para grana. El estudio se va a centrar en el nopal forrajero ya que es el
que tiene las propiedades físico-químicas más óptimas para la obtención de biogás de
calidad. De igual forma los demás no serán descartados ya que según estudios realizados
en México los desechos de los demás productos pueden ser valorados ya que su bajo poder
calorífico puede ser compensado con su bajo costo en una producción tecnificada (12).
Figura 13. Plantación de nopal (Nopalimex. El oro verde de México)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
4.2 RECOLECCIÓN Y ACONDICIONAMIENTO
El proceso de recolección de la biomasa juega un papel fundamental en la proyección de la
siguiente cosecha próxima a comenzar, ya que en esta se debe tener total control y cuidado
sobre los retoños que ya pudiesen estar. La recolección se realiza de forma manual
seleccionando las pencas que cumplan con las condiciones mínimas para ser transportadas
y almacenadas en la siguiente estación del proceso.
La siguiente estación, es la estación de molido, ya que en el proceso de digestión anaeróbica
el sustrato requiere una distribución granulométrica adecuada y en lo mayor posible
homogénea, por lo que, para dicho fin se realiza la trituración de los cladodios. La entrega
del sustrato al biodigestor es mediante régimen continuo, así que para garantizar el flujo,
se requiere de un tanque de almacenamiento.
Figura 14. Visualización del sustrato antes de ser bombeado (Nopalimex. Biogás
con nopal para vehículos en sustitución de combustibles fósiles)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
4.3 BIODIGESTIÓN
Para que el proceso de digestión del sustrato se lleve de forma óptima y estandarizada, la
mezcla debe estar previamente tratada, para ello, la materia prima es ingresada a un tanque
de homogenización en donde en conjunto con el agua, se generará la mezcla de los
sustratos a las condiciones óptimas de funcionamiento. Para asegurar este proceso los
reactores cuentan con un sistema de agitación y un sistema de calefacción interna, que
posteriormente y bajo el tiempo de retención mínimo establecido, se obtiene el biogás.
En el proceso de digestión de los sustratos, se genera una corriente de lodos estabilizados
conocida como digestato, el cual contiene un alto porcentaje de humedad que oscila entre
el 75% al 90% y un alto contenido de nutrientes. Una porción del digestato es deshidratado
para reutilizar el agua presente en él, y la otra parte es empleada como fertilizante en la
próxima cosecha
En un reactor de carga continua y diseñada para tratar una productividad media de 100
Ton/ha/año de Nopal, el tiempo de retención hidráulico teniendo en cuanta las dos fases
iniciales oscilan entre 30 a 60 días. El interior del digestor debe mantener una temperatura
de funcionamiento óptima, que oscila en el rango de 35 °C a 40 °C, para ello se utilizan
intercambiadores de calor que son alimentados con el calor residual proveniente del motor
de cogeneración. El control sobre el pH y temperatura debe ser con total rigor ya que una
descompensación en alguno de estos dos factores tardaría entre 30 a 60 días en
solucionarse.
El biogás obtenido por la digestión anaeróbica es una mezcla constituida principalmente
por metano en mayor proporción, y otros gases como Dióxido de Carbono, Hidrógeno,
Nitrógeno y Ácido Sulfhídrico, Ver tabla 2.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
TABLA 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL BIOGÁS OBTNEIDO A PARTIR DE LA DIGESTIÓN
ANAERÓBICA DEL NOPAL
Elemento Cantidad (%)
CH4 58,0 %
CO2 36,0 %
H2O 2,5 %
N2 0,5 %
H2 2,0 %
O2 0,5 %
Fuente. Elaboración propia con base en casos de éxito realizados en México y
Chile.
4.4 TRATAMIENTO DEL BIOGÁS
El tratamiento del biogás dependerá principalmente del objeto final del mismo. El biogás
puede ser empleado una vez sale del reactor en un motor de generación eléctrica con
biogás una vez se haya pasado por una etapa de estabilización puede ser sometido a
procesos de deshidratación y de desulfuración, para así disminuir el porcentaje de Sulfuro
de Hidrógeno y aumentar el contenido de metano de la mezcla hasta el 98% gracias a la
reducción del contenido de CO2, asemejándolo a las propiedades del gas natural.
El nopal tiene una ventaja, y es que es una materia lignocelulosa obtenida a partir de un
cultivo energético, por lo que la generación de ácido sulfúrico se considera nulo. En este
caso de estudio, se realiza el dimensionamiento de las instalaciones y de la selección de
equipos para una mezcla de biogás, constituida principalmente por metano hasta un 58% y
seguida de CO2 con un 36% de contenido sobre la composición total de gas, por lo que las
planta de tratamiento como lo deshidratación y desulfuración no son necesarias.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
4.5 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA
El gas obtenido del proceso de digestión anaeróbica, es sometido a pruebas de composición
química, para comprobar que los porcentajes de las sustancias presentes en la mezcla estén
en el rango previamente establecido y así garantizar el funcionamiento óptimo de la planta
de generación.
La planta de generación consta principalmente de un motor de generación de energía
eléctrica a partir de la combustión del biogás. El dimensionamiento y la selección de estos
equipos se detallan en los capítulos siguientes.
4.6 CONEXIÓN A RED
La energía eléctrica generada debe ser transportada por medio de líneas de transmisión
hasta la subestación más cercana del sistema interconectado nacional. Para ello se debe
igualar la tensión de la subestación por lo que sí es el caso, se debe diseñar una instalación
de transformación de tensión que permita igualar la tensión de la energía eléctrica
generada y así poder verter la energía a la red nacional.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN
ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN COLOMBIA.
Figura 15. Etapas de la generación de energía a partir de Nopal (Elaboración propia).
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
5. BIODIGESTOR
En este capítulo se va a realizar una breve descripción de los tipos de reactores que se
encuentran actualmente en el mercado, para la digestión anaeróbica de sustratos, así como
el cálculo del dimensionamiento del volumen mínimo del biodigestor, y de la composición
del gas generado.
5.1 TIPOS DE DIGESTORES
Los digestores de digestores se pueden clasificar de diversas formas, en donde puede estar
la clasificación por su orientación, el tipo de sustrato o intensidad de carga, pero en
términos generales se pueden clasificar los reactores anaeróbicos en dos grandes grupos,
los reactores de mezcla continua y lo reactores de flujo pistón. Sin embargo, actualmente a
los digestores se les reconoce por su nombre, el cual en la mayoría de casos, este viene
dado por el país de procedencia.
Figura 16. Clasificación de reactores (Manual técnico sobre tecnologías biológicas anaeróbicas aplicadas al
tratamiento de aguas y residuos industriales. CYTED)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
5.1.1 REACTOR MEZCLA COMPLETA
Es el tipo de reactor más empleado comercialmente, a nivel industrial. Son reactores de
forma cilíndrica vertical cerrados, en material de acero u hormigón armado, en donde el
funcionamiento se basa en que el sustrato se mezcla regularmente mediante agitadores.
Los agitadores permiten mantener una mezcla homogénea y completa permitiendo que el
sustrato entrante entre en contacto con la población bacteriana y con el sustrato en
degradación.
TABLA 3. CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR DE MEZCLA COMPLETA.
Características
Orientación Vertical.
Material en acero u hormigón armado.
Capacidad hasta 6,000 m3
Velocidad de carga entre 2 a 5 kg sv/m3d.
Aplicaciones
Apropiado para procesos continuos, discontinuos y semi-
continuos.
Óptimo para sustratos con contenidos de sólidos medios / bajos
a bajos.
Ventajas
Operación variable para procesos continuos, discontinuos y
semi-continuos.
Costo de inversión menor comparado con reactores de flujo
pistón.
Mantenimiento de equipos internos sin la necesidad de vaciar
completamente el reactor.
Diseño complejo en la cubierta para tanques de gran tamaño.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Desventajas Posibilidad de producción de un régimen de mezcla no ideal y
fluidos de corto circuito (entrada y salida de material sin
mezclarse).
Formación de capas duras flotantes.
Fuente. Elaboración propia con base en el manual técnico sobre tecnologías biológicas
anaeróbicas aplicadas al tratamiento de aguas y residuos industriales. CYTED.
Figura 17. Sistema de digestión tipo mezcla completa (Adaptado Curso de formación
especializada en Biogás para profesionales).
5.1.2 REACTOR DE FLUJO PISTÓN
El funcionamiento en este tipo de reactores se basa en el aprovechamiento de la energía o
empuje que genera la incorporación del sustrato al reactor para así generar un flujo
longitudinal del material. La mezcla de sustrato se produce en planos perpendiculares a la
dirección de flujo a través de agitadores especiales.
La principal característica de este tipo de reactores es que el proceso de digestión
anaeróbica, ocurre a lo largo del flujo en el interior del reactor, principalmente en la etapa
de acetogénesis y metanogénesis. El reactor de flujo pistón puede presentar un proceso
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
microbiológico altamente estable, por lo que es apropiado para la degradación de materia
con presencia alta en contenido de sólidos. Este tipo de reactores de igual forma pueden
ser combinables con una segunda etapa de post- digestión en reactores de mezcla
completa, dando lugar a un biogás de mucha mayor calidad.
TABLA 4. CARACTERÍSTICAS DEL REACTOR FLUJO PISTÓN
Características
Orientación horizontal.
Material en acero u hormigón armado.
Capacidad entre 800 a 1 000 m3
Velocidad de carga superior a 5 kg sv/m3d.
Aplicaciones
Apropiado para procesos continuos y semi-continuos.
Óptimo para sustratos con contenidos se sólidos medios a
medios / altos.
Ventajas
Configuración compacta.
Separación de las etapas en el proceso de digestión.
Prevención de formación de capas duras flotantes.
Prevención de flujos de corto circuito.
Requieren tiempos de retención hidráulica menores.
Facilidad en la preservación de la temperatura de
funcionamiento.
Desventajas
Grandes volúmenes requieren reactores paralelos.
Mantenimiento de equipos internos requiere el vaciado
del reactor.
Fuente. Elaboración propia con base en el manual técnico sobre tecnologías biológicas
anaeróbicas aplicadas al tratamiento de aguas y residuos industriales. CYTED.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
5.1.3 REACTOR UASB
El digestor de flujo ascendente a través de un manto de lodos UASB por sus siglas en inglés
(Upflow anaerobic sludge blanquet) en los últimos años ha tenido un gran impacto en la
digestión anaeróbica principalmente en procesos donde se utiliza lodo granular como
sustrato, ya que estos se caracterizan por tener una alta actividad y alta velocidad de
sedimentación, permitiendo mantener altas concentraciones de biomasa en los reactores,
sin la utilización de soportes o pasos posteriores de separación. Los reactores UASB son de
fácil diseño y construcción, capaces de operar a altas velocidades de carga orgánica y con
un bajo costo de operación, (ver figura 18).
Figura 18. Reactor UASB (Manual técnico sobre tecnologías biológicas anaeróbicas aplicadas al tratamiento
de aguas y residuos industriales. CYTED)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
5.1.4 REACTOR DE DOS FASES
En este tipo de digestores se separa la etapa de solubilidad de la etapa de metanogénesis.
El reactor empleado para la segunda etapa generalmente es de tipo granular, aptos para
concentraciones de sólidos menores y en los que la mezcla se realiza a través del
movimiento generado por las burbujas de biogás emanadas del sustrato mismo. Este tipo
de reactores requieren un desarrollo de ingeniería y planificación previa, para una
construcción a medida, lo que no les ha permitido tener un desarrollo comercial mayor.
5.2 VOLUMEN DEL REACTOR
Para realizar el cálculo del volumen de operación del digestor tanto de la fase de hidrolisis
como de la fase metanogénica se obtiene a partir de la cantidad de sustrato diario a
introducir y el tiempo de retención hidráulico. El volumen de sustrato es una mezcla de
materia prima de nopal y agua en relación 1:0,4, ya que como bien se sabe, el Opuntia Ficus
es una planta altamente hidratada, por lo que con una relación del 50% es suficiente para
tener la mezcla en condiciones óptimas. De igual forma es importante tener en cuenta el
espacio que ocupará el gas generado y su simultanea acumulación, por lo que, el volumen
del gas se estima como un tercio del volumen de operación. Siendo así el cálculo se hace
siguiendo la siguiente expresión.
𝑉𝑜𝑙 = 𝑉𝑠𝑑 · 𝑡𝑅 · (1 +1
3) (1)
Donde:
Vol: Volumen total del biodigestor [m3]
Vsd: Volumen de sustrato diario [kg]
TR: Tiempo de retención hidráulico [días]
El tiempo de retención hidráulica está condicionado por la temperatura de trabajo del
biorreactor, por lo que se debe considerar la temperatura en función de la variación
estacional, dimensionando el tamaño en función de las condiciones más desfavorables,
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Según la ubicación del proyecto, que se encuentra en dentro de la zona tropical en cercanías
a la línea del ecuador, la variación estacional no es en gran medida, por lo que se estima el
tiempo de retención mínimo en 40 días para su etapa inicial, para así obtener una
producción de biogás óptima.
TABLA 5. ESTIMACIÓN VOLUMEN DEL DIGESTOR
Área 100 Ha
Productividad 100 Ton/ha/año
Sustrato diario 27.4 Ton/día
Tiempo de Retención 40 días
Volumen 1 460 m3
Fuente. Elaboración Propia
5.3 DIMENSIONES DEL DIGESTOR
Según las lecciones aprendidas en países como México, se ha evidenciado que los reactores
que mejor se ajustan para este tipo de biomasa son los reactores cilíndricos, por lo que este
tipo de reactor será el seleccionado para la ejecución del proyecto. El cálculo del volumen
final del biorreactor estará condicionado por las dimensiones del mismo, por lo que para el
cálculo se emplea la siguiente ecuación.
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝜋 · 𝑟2 · ℎ (2)
Donde:
r: radio del reactor [m]
h: Altura del reactor [m]
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
TABLA 6. DIMENSIONES DEL REACTOR
Altura 6 m
Diámetro 17.6 m
Volumen Total 1 460 m3
Fuente. Elaboración Propia
5.4 CARACTERISTICAS DEL BIOGÁS
La mezcla de gas obtenida será el combustible para los motores de generación, por lo que
para su pre-dimensionamiento se debe conocer el poder calorífico inferior, ya que este es
el que limita el comportamiento del gas. La composición química del biogás generado
determina su poder calorífico, entre más contenido de metano se encuentre dentro de la
mezcla, mayor será su poder calorífico y por ende será mayor la energía generada. El poder
calorífico se define como la cantidad de energía que se desprende por unidad de masa en
un proceso de combustión.
Figura 19. Poder Calorífico de los principales combustibles (Álvaro Zúñiga. Universidad de Chile)
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Tabla 7. Producción de Biogás anual
Área 100 Ha
Productividad 100 ton/ha/año
Generación de Gas 40 m3/t
Producción Total 10 000 ton/año
Producción Gas 400 000 Nm3/año
Fuente. Elaboración Propia
5.4.1 PODER CALORÍFICO DEL BIOGÁS
Se espera que el gas obtenido de la digestión anaeróbica del nopal presente las siguientes
características fisicoquímicas, dejando así un alto volumen de metano en la mezcla, seguido
por el dióxido de carbono, ver tabla 8.
TABLA 8. CARACTERÍSTICAS POR COMPONENTES DEL BIOGÁS
Elemento Cantidad [%] PM PCS [MJ/kg] PCI[MJ/kg] Cantidad Nm3/año
CH4 58.5% 16 55.8 50.2 234 000
CO2 36.0% 44 - - 144 000
H2O 2.5% 18 -2.5 -2.5 10 000
N2 0.5% 28 - - 2 000
H2 2.0% 2 13.4 120.9 8 000
O2 0.5% 32 - - 2 000
Fuente. Elaboración propia
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
En función de la concentración de los compuestos presentes en la mezcla de biogás y el
poder calorífico teórico por unidad de masa, se calcula la masa ocupada por cada sustancia
siguiendo la ley de los gases ideales. Una vez conocida la masa de cada uno de los
componentes del gas, y en función del poder calorífico superior e inferior, se determina el
aporte de energía al gas de cada una de las sustancias presentes.
TABLA 9. APORTE CALORÍFICO POR COMPUESTO DEL BIOGÁS
Elemento Cantidad [Nm3] Masa [Kg] PCS[MJ] PCI [MJ] C Promedio [MJ]
CH4 234 000 167 247.39 9 332 404.18 8 395 818.81 8 864 111.5
3O2 144 000 283 034.04
H2O 10 000 8 040.74 -20 101.85 -20 101.85 -20 101.85
N2 2 000 2 501.56
H2 8 000 714.73 9 577.41 86 411.15 47 994.28
O2 2 000 2 858.93
Fuente. Elaboración propia
El poder calorífico total de la mezcla se estima en función del poder calorífico inferior,
tomando el escenario más pesimista, dejando como resultado:
TABLA 10. PODER CALORÍFICO DEL BIOGÁS
Poder Calorífico del Gas 21.1553 MJ/Nm3
PCI 5.8765 kWh/Nm3
Fuente. Elaboración propia
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
5.5 SELECCIÓN DEL BIODIGESTOR
La selección del biodigestor se hace con base en el tipo de sustrato a digerir, el tiempo de
retención hidráulico, y el pre-dimensionamiento previamente calculado. En la elección del
biodigestor es importante tener en cuenta las características del biogás a generar, ya que
dependiendo de la materia prima utilizada para la generación del biogás, se pueden generar
sustancias de forma simultánea que pueden ser altamente perjudiciales para los
componentes del reactor. En este caso, como se trata de una materia prima vegetal, la
producción de NOx es muy baja.Para la selección del reactor se hace una comparativa entre
las dos tecnologías más desarrolladas a la actualidad, las cuales corresponden a un reactor
de mezcla completa y el reactor de flujo pistón. Se hace una tabla de comparación entre
tecnologías y se verifica cual cumple con todas las condiciones del proyecto, (ver tabla 11).
Si cumple se le dará un valor de 1, si no cumple se le dará un valor de 0; la tecnología que
obtenga mayor puntaje, será la seleccionada, (ver tabla 12).
TABLA 11. MATRIZ DE COMPARACIÓN ENTRE TECNOLOGÍA DE REACTORES.
Características Reactor mezcla
completa
Reactor flujo pistón
1. Proceso continuo 1 1
2. Contenido de sólidos medios 1 1
3. Capacidad > 1500 m3 1 0
4. Bajo costo de inversión. 1 0
5. Velocidad de carga media 1 1
6. Calidad de producción de biogás
alta
1 1
7. Facilidad de mantenimiento 1 0
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
8. Prevención en la producción de
fluidos de corto circuito
0 1
9. Facilidad de diseño y
construcción
1 1
10. Durabilidad 1 1
Fuente. Elaboración propia
TABLA 12. MATRIZ DE SELECCIÓN DEL REACTOR
Tecnología Reactor Mezcla Completa Reactor Flujo Pistón
Puntaje 9 7
Fuente. Elaboración propia
Como se puede ver, la tecnología más apropiada para el proyecto es el diseño y
construcción de un reactor de mezcla completa, ya que debido a la productividad esperada
por las 100 ha de cosecha, el volumen del reactor supera la capacidad que pudiese brindar
un solo reactor de flujo pistón, por lo que se tendría que hacer una configuración en paralelo
de dos reactores, metodología que elevaría los costos.
El principal problema en los reactores de mezcla completa es la posibilidad de que se
generen fluidos de corto circuito, pero esto se puede prevenir y minimizar, haciendo un
exhaustivo control sobre la molienda y el tiempo de retención hidráulico.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
6. EQUIPOS DE GENERACIÓN ELECTRICA
En este capítulo se va a realizar una breve descripción de los equipos empleados para la
generación de energía eléctrica a partir del biogás generado en la digestión anaeróbica, de
igual forma se muestra el procedimiento seguido para el cálculo del dimensionamiento de
los motores y su posterior selección.
Cabe resaltar que el motor seleccionado es capaz de funcionar con la mezcla de biogás
generada, por lo que no es necesario realizar un proceso de tratamiento al gas generado,
ya que en el proyecto en total del gas generado, será empleado como combustible para la
generación de energía y no tendrá otros fines como podría ser, el uso en automóviles, en
donde el gas sí debería pasar por un proceso de desulfuración y deshidratación para elevar
su concentración de metano.
6.1 DIMENSIONAMIENTO DEL MOTOR
Para realizar el cálculo del dimensionamiento del motor es importante conocer la
composición química del mismo para saber si es necesario realizar un tratamiento previo
antes de ser ingresado al motor y así evitar futuras averías por rápida corrosión. Una vez
comprobado que el gas se encuentra dentro de los estándares de calidad correspondientes
se identifica el flujo de biogás por día que va a llevar la planta y en función del poder
calorífico del mismo se calcula la energía eléctrica generada siguiendo la siguiente ecuación.
El caudal de biogás es el factor que determina la potencia eléctrica que se puede generar,
por lo que es importante tener un factor de seguridad al momento de hacer la selección de
equipos para evitar complicaciones en días atípicos.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
𝐸𝐺 = 𝑄 · 𝑃𝐶𝐼 (3)
Donde:
EG: Energía generada [kW]
Q: Flujo de Gas [Nm3/h]
PCI: Poder Calorífico Inferior [kWh/Nm3]
TABLA 13. ENERGÍA GENERADA
Producción Gas 400 000 Nm3/año
Biogás Disponible 45.66 Nm3/h
Potencia Teórica 268.3 kW
Fuente. Elaboración propia
Es importante recalcar que esta metodología de cálculo está dada para condiciones
normales, es decir, a temperatura igual a 0 y presión a nivel del mar 1 atm. Con la potencia
esperada teórica se obtiene un primer acercamiento, de las características que debe tener
el motor de la planta de generación.
6.2 SELECCIÓN DEL MOTOR
Una vez se ha obtenido el primer punto de referencia sobre la potencia eléctrica teórica, se
hace el estudio de dos motores que se encuentran dentro de ese rango de potencia
previamente establecido. El primero es un motor TEDOM de referencia Cento 220 y el
segundo un motor JENBACHER de Tipo 2. Ambos motores son motores de cogeneración de
energía, en donde la energía eléctrica será vertida a la red y la energía térmica generada,
será utilizada para mantener la temperatura del digestor. Los criterios fundamentales para
la selección del equipo se basan en el rango de potencia nominal y el consumo de
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
combustible. A continuación se muestra una tabla en donde se pueden ver en comparación
las principales características de los motores, ver (tabla 14).
TABLA 14. COMPARACIÓN DE MOTORES ELÉCTRICOS.
MOTORES TEDOM Cento 220 JENBACHER Tipo 2
Potencia Nominal [kW] 220 250
Rendimiento Total 87.7% 80.8%
Rendimiento Eléctrico 38.1% 36.4%
Rendimiento Térmico 49.6% 44.4%
Consumo de Combustible
[Nm3/h] 42.68 52.65
Fuente. Elaboración propia
Es importante recalcar, que las características de funcionamiento descritas anteriormente
corresponden para una frecuencia eléctrica de 60 Hz, frecuencia a la cual se opera en
Colombia.
Como se puede observar el motor TEDOM, ofrece un mayor rendimiento total y
principalmente un rendimiento eléctrico mayor, lo que es un factor importante a la hora de
la selección y realizando la comparación entre el consumo de combustible se puede
observar que el motor JEANBACHER, requiere un mayor consumo. Con las características
establecidas anteriormente del ratio de producción y la generación de biogás, se tiene que
el suministro teórico de combustible está en 45,66 Nm3/h, lo que deja como única opción
el motor TEDOM Cento 220.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
5.5.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Los motores TEDOM son motores que emplean tecnología suiza y alemana en sus equipos
ofreciendo un sistema compacto de alto rendimiento en la generación de energía. La gama
Cento ofrece un amplio rango de potencia nominal que va desde 50 hasta 500 kW, lo que
trae beneficios futuros si se plantea la opción de aumentar la productividad hasta un área
de producción de 200 Ha.
Figura 20. Motor TEDOM (TEDOM Cogeneration-brochure. Combined Heat and Power.)
Es importante resaltar que el motor no sería capaz de trabajar a una potencia mínima del
50% de su potencia nominal, por lo que es indispensable garantizar el suministro y que en
días atípicos de sub-producción, este valor no sea inferior al 50%. A continuación se muestra
la ficha técnica del equipo del equipo de generación de energía eléctrica, separado en dos
seccionas, la sección del generador, ver (tabla 15) y la sección del motor, ver (tabla 16).
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
TABLA 15. FICHA TÉCNICA GENERADOR
Modelo LSA 46.2 L9 LSA
46.2 VL12
Fabricante Leroy Somer
Cos ϕ 1.0
Eficiencia en el punto de trabajo 95.1
Voltaje 400 V
Frecuencia 60 Hz
Fuente. Elaboración propia
TABLA 16.FICHA TÉCNICA MOTOR
Modelo TB 170 G5 TW
86
Fabricante Tedom
Numero de Cilindros 6
Arreglo de cilindros En serie
Bore x stroke 130 x 150 mm
Desplazamiento 11 946 cm
Ratio de compresión 12:01
Revoluciones 1 500 rpm
Consumo de Aceite 0.3/0.5 g/kWh
Fuente. Elaboración propia
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
6.3 SALA DE MÁQUINAS
En la sala de máquinas comprende la sala de generación de energía eléctrica y la sala de
control, ambas serán ubicadas contiguamente de tal forma que se permita optimizar el
espació de la locación. La sala de generación consta del motor TEDOM, el generador, su
sistema de refrigeración y serán diseñadas las líneas de calefacción que irán al reactor y las
líneas de transmisión de la energía eléctrica generada. La sala de control, albergará los
equipos de monitoreo y control de toda la planta; de igual forma se almacenarán los
equipos de protección establecidos por ley, con el fin de mantener el funcionamiento
óptimo de la misma.
TABLA 17. CARACTERÍSTICAS SALA DE MÁQUINAS.
Sala de Maquinas
Altura min [m] 3m
Área [m2] 30m2
T máxima [°C] 55°
T mínima [°C] 5°
Sistema Contraincendios SI
Aislamiento térmico SI
Control de gases y partículas SI
Desconexión automática SI
Equipos de seguridad
personal SI
Fuente. Elaboración propia
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
6.4 DISPOSICION FINAL DE LAS INSTALACIONES
Con los dimensionamientos realizados y la selección de equipos se propone la disposición y
lo ubicación final de las instalaciones. Dicha disposición se realiza de forma que se pueda
optimizar el mayor espacio posible y siguiendo los lineamientos anteriormente
establecidos.
Figura 21. Configuración y disposición de las instalaciones
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 22. Ubicación de las instalaciones
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
7. ANÁLISIS ECONOMICO Y MEDIOAMBIENTAL
En el siguiente capítulo se presenta el análisis de económico y de sensibilidad, que permite
determinar la viabilidad del proyecto bajo las condiciones dadas y 3 escenarios más. El
análisis se realiza incluyendo todos los incentivos propuestos por la Ley 1715 de 2014 para
proyectos de generación de energía con fuentes no convencionales. Entre los incentivos
resaltan, lo incentivos de renta, los incentivos contables y los incentivos arancelarios. Así
mismo se describe el impacto ambiental del proyecto, como la posible reducción de
emisiones de gases de efecto invernadero de la planta.
7.1 COSTOS PRIMARIOS
Con el fin de justificar los resultados que se presentan en este capítulo a continuación se
describen los principales factores que se tienen en cuenta para la estimación de la viabilidad
técnico-económica del proyecto.
7.1.1 COSTOS DE INVERSIÓN (CAPEX)
Se establecen cuatro determinantes que componen los costes de inversión, que
corresponden al balance de planta, el costo de los equipos de generación de energía
eléctrica y de biogás, el costo de interconexión al sistema interconectado nacional y el costo
de la ejecución del proyecto.
Se asume que la totalidad de los equipos de origen extranjero, por lo que la maquinaria,
elementos y equipos empleados en el proyecto serán en su totalidad importados, por lo
que no es necesario identificar los costos de desarrollo ni de balance de planta. Debido a la
finalidad del proyecto y según el decreto 2143 de 2015, se fija que los quipos y maquinaria
empleada estarán exentos de IVA. Los costos de inversión se detallan a continuación, ver
Tabla 18.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
TABLA 18. RELACIÓN DE COSTOS DE INVERSIÓN
Costos de Diseño
Potencia Nominal [kW] 220
Horas de funcionamiento [hr] 7 500
Grupo generador [US/kWh] 0.04
Balance de planta [US/kW] 800
Costo de conexión al SIN [US/kW] 150
Costos de desarrollo [US/kW] 1.5
Fuente. Elaboración propia
Los gastos que se contemplan en todo el proyecto incluyen el diseño de ingeniería, montaje
e instalación de la planta, inversión de equipo, adquisición del terreno para el cultivo y
diseño de la planta, lo mismo que los costos adicionales que refieren a costos por
transacción de licencias y otros costos de carácter legal.
El balance de planta reúne todo lo relacionado con el diseño e instalación del digestor y
equipos necesarios para el tratamiento del sustrato, como también el compresor de biogás.
El grupo generador incluye el motor y los equipos de generación.
TABLA 19. COSTOS DE INVERSIÓN- CAPEX
Costos de inversión USD
Grupo del reactor $176,000
Grupo generador $66,000
Conexión al SIN $33,000
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Ejecución del Proyecto $330
Procesos de producción $20,000
Otros $10,000
TOTAL $305,330
Fuente. Elaboración propia
Es importante resaltar que según el decreto 2143 de 2015 por el cual se modifican los
nuevos lineamientos para la aplicación de incentivos establecidos en la Ley 1715 de 2014,
los equipos, elementos y maquinaria empleados en el proyecto están excluidos de IVA por
lo cual este valor corresponde al valor sin IVA el cual a su vez es el valor final de los
productos.
7.1.2 COSTOS DE OPERACIÓN OPEX
Los costos de operación se dividen en dos componentes, los costos fijos y los costos
variables. Los costos fijos corresponden a los costos de funcionamiento del proyecto, es
decir, los que no se ven afectados por cambios en la producción o en la generación de
energía eléctrica, dentro del rango de producción determinado. Se considera como costo
fijo los salarios del personal encargado en la planta y un costo de mantenimiento preventivo
anual.
La estructura salarial para el personal encargado se realiza en función de los parámetros
mínimos para poner la planta en funcionamiento. El rango salariar se fijan en función de los
rangos salariales actuales. La tabla 20, muestra detalladamente los salarios establecidos y
el costo que estos conllevan en la ejecución del proyecto.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
TABLA 20. ESTRUCTURA SALARIAL
Cargo Cantidad
Sueldo liquido
unitario [USD/mes]
Sueldo bruto Total
[USD/mes]
Operadores 3 300 900
Ing. Civil 1 1 000 1 000
Ing. Eléctrico 1 1 000 1 000
Ing. Energético 1 1 000 1 000
Guardia 2 300 600
Fuente. Elaboración propia
En los costos variables se tienen en cuenta los costos de producción anual de biomasa, que
van en función del ratio de producción anual, la energía producida y costos ocasionales por
complicaciones o prevenciones.
Los costos de operación por la venta de energía no se tienen en cuenta, ya que según la
Ley 99 de 1993 el impuesto de 4% sobre la venta de energía es aplicable para plantas
mayores a 10 MW y los demás cobros que se efectúan para grandes productores que
establece la ley 1715 de 2014 son para productores con una potencia mayor a 1MW, es
decir el proyecto se acoge a todos los beneficios de productores de pequeña escala,
Potencia < 1MW. Los costos totales por operación se detallan a continuación, ver tabla 21.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
TABLA 21. COSTOS DE OPERACIÓN OPEX
Costos de Operación USD/Año
Equipo de personal $54,000
Costos de Mantenimiento $1,000
Costos en producción $12,000
TOTAL $67,000
Fuente. Elaboración propia
Estos costos se tienen en cuenta para el año 0, periodo de diseño y construcción de la
planta, ya que posteriormente, los costos de operación se reducen. En los años siguientes
se tienen en cuenta los costos variables de producción, los costos de mantenimiento
preventivo, y el equipo de personal mínimo de seguridad (tres operarios y los dos guardias).
7.2 INGRESOS
En la estimación de los ingresos se consideran dos grandes factores, las ganancias por venta
de energía al sistema interconectado nacionales y los ingresos por bonos de carbono.
7.2.1 INGRESOS POR VENTA DE ENERGÍA
Para establecer los ingresos a obtener por venta de energía se tiene en consideración el
precio por kWh en el sistema interconectado nacional. El precio en Colombia fluctúa
dependiendo de la región, por lo que para el caso de estudio se establece un valor promedio
anual fijado para todo el país.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
De acuerdo a la Unidad de Planeación Minero Energética el precio del kWh promedio en
Colombia está fijado en USD $0.133, para el sector residencial y un precio en bolsa de USD
$0.091 de, siendo uno de los países latinoamericanos con mayor precio de la energía.
Figura 23. Precio del kwh en bolsa (XM, Informe precios y transacciones, Marzo 2020.)
Con base en la proyección hecha por la UPME y el porcentaje de inflación del país, se
establecen los precios de venta del kWh para los años siguientes y así obtener los ingresos
por venta de energía eléctrica al Sistema Interconectado Nacional.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 24. PROYECCIÓN PRECIOS KWH (UPME Boletín estadístico.)
Para un primer año 1 y con un tiempo de funcionamiento de 7500 hr del motor generador
se obtiene que los ingresos resultantes por la venta de energía en bolsa serían de $65,046
USD.
TABLA 22. INGRESOS POR VENTA DE ENERGÍA PERIODO 1
Ingresos por venta de Energía
Precio energía eléctrica USD/kWh 0.091
Energía Generada año kW 628 650
Ingresos por venta de Energía USD $65,046
Fuente. Elaboración propia
7.3 INGRESOS POR BONOS DE CARBONO
Los bonos de carbono CERs, por sus siglas en inglés (Certified Emission Reductions), son un
mecanismo propuesto en el Protocolo de Kyoto para la reducción de emisiones de gases de
efecto invernadero y que han tenido mayor impacto desde el acuerdo de Paris.
Los bonos de carbono pueden ser comercializados a diferentes precios de mercado. Una
posibilidad es venderlos al precio que las naciones unidad establece para proyectos de
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
FNCER en Colombia que cumplan con los certificados de emisiones reducidas, en este caso
se asignaría un valor de aproximadamente 5 USD por tonelada de emisiones reducida.
Otra alternativa es venderlo de forma directa en el mercado nacional e internacional en
donde los precios son fijados por el Europea Emission Trading Scheme (EU ETS). Los valores
fijados por la comisión europea son normalmente utilizados para proyectos realizados en la
Unión Europea, mientras que para proyectos para los que no aplica este escenario, el
gobierno de Reino Unido ha elaborado una lista de precios, con sus predicciones basados
en tres alternativas, bajo, medio y alta. Estos costos representan el valor estimado que los
agentes contaminantes deberían pagar por tonelada de gas de efecto invernadero emitido,
ver figura 25.
Figura 25. Precios de carbono (DECC, 2014)
Dado la naturaleza y localización del presente proyecto se van a considerar un precio similar
pero inferior a los precios promedios para el mercado de venta directa en el mercado
nacional. De esta forma en el año 2019 en Colombia el precio interno promedio del bono
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
de carbono tuvo un valor de 20 USD, mientras que en el mercado internacional se cotizó en
26 USD.
El nopal que es el principal sustrato empleado en el proyecto, si se empleara como
biocombustible en sustitución de gas natural empleado en vehículos, tendría la propiedad
de capturar 70 toneladas de CO2 por hectárea por año, mitigando el impacto ambiental del
sector de la automoción. Como en enfoque de este proyecto es la generación de energía
eléctrica con el biogás generado, se estima una reducción de emisiones de 30 toneladas de
CO2 por hectárea por año, dejando así una impacto de 3000 Ton de CO2 evitadas.
TABLA 23. INGRESOS POR BONO DE CARBONO P1
Captación de CO2
Ton CO2 evitado/Ha/año 30
Ton CO2 evitado/año 3 000
USD/tonCO2 $15
Ingresos por Bono CO2 60 000
Fuente. Elaboración propia
7.4 VIABILIDAD ECONOMICA
Se realiza el estudio de viabilidad económico, en función de los ingresos y egresos estimados
anteriormente. Se calcula el valuar actual neto (VAN) y la tasa interna de retorno (TIR), para
un periodo de tiempo igual a 20 años y de igual forma se realiza el cálculo de valor neto de
la planta.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
De acuerdo con el Banco de la República de Colombia, la inflación en el país al 30 de abril
de 2020 se sitúa en 3.51%, valor que se considera para los cálculos posteriores.
TABLA 24. VAN – TIR
INVERSIÓN INICIAL -$305,330.00
VAN $798,592.63
TIR 20%
Fuente. Elaboración propia
La generación de energía comienza pasados 6 meses de la puesta en marcha de la planta,
ya que es el tiempo que se demora la primera cosecha y que corresponde al año 0. El flujo
de caja se tiene en cuenta a partir del año 1 de haber puesto en marcha el grupo generador.
En este primer año se tiene un flujo de caja positivo igual a $70,549.
Para el cálculo de amortización, se tienen en cuenta los ingresos respectivos al segundo
semestre del año 0, con un valor de $51,120 y que corresponden a los ingresos por venta
de energía y por bono de carbono. Dentro de los egresos se tienen en cuenta los beneficios
tributarios dispuestos por la Ley 1715 de 2014. Para el año 1 se estima un valor neto de -
$250,661 alcanzando una amortización en el año 9.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN
ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN COLOMBIA.
TABLA 25. AMORTIZACIÓN
Año USD/kWh Ingresos por venta Bono de Carbono Egresos Valor Neto Flujo de Caja
0 0.091 $28,620 $22,500 -$372,330 -$321,210 -$372,330
1 0.094 $59,249 $46,580 -$35,280 -$250,661 $70,549
2 0.098 $61,329 $48,214 -$39,333.86 -$180,451 $70,210
3 0.101 $63,482 $49,907 -$43,156.84 -$110,219 $70,232
4 0.105 $65,710 $51,658 -$46,742.26 -$39,593 $70,626
5 0.108 $68,016 $53,472 -$50,083.75 $31,811 $71,404
6 0.112 $70,404 $55,349 -$52,344.70 $105,219 $73,408
7 0.116 $72,875 $57,291 -$54,702.66 $180,682 $75,463
8 0.120 $75,433 $59,302 -$57,161.66 $258,255 $77,573
9 0.124 $78,080 $61,384 -$59,725.90 $337,994 $79,738
10 0.129 $80,821 $63,538 -$62,399.71 $419,953 $81,960
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN
ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN COLOMBIA.
11 0.133 $83,658 $65,768 -$65,187.65 $504,192 $84,239
12 0.138 $86,594 $68,077 -$68,094.42 $590,769 $86,577
13 0.143 $89,634 $70,466 -$71,124.93 $679,744 $88,975
14 0.148 $92,780 $72,940 -$74,284.30 $771,179 $91,435
15 0.153 $96,036 $75,500 -$77,577.82 $865,138 $93,959
16 0.158 $99,407 $78,150 -$81,011.03 $961,684 $96,546
17 0.164 $102,897 $80,893 -$84,589.68 $1,060,884 $99,200
18 0.169 $106,508 $83,733 -$88,319.74 $1,162,805 $101,921
19 0.175 $110,247 $86,672 -$92,207.44 $1,267,516 $104,711
20 0.182 $114,116 $89,714 -$96,259.24 $1,375,087 $107,571
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
7.5 ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
A continuación se van a analizar y comparar 4 escenarios posibles dentro del proyecto. El
primer escenario es aquel en donde se tienen en cuenta los incentivos tributarios y
arancelarios dispuestos por la ley 1715 de 2014 para proyectos de energías renovables
como a su vez, los ingresos por venta los bonos de carbono; dicho escenario hace referencia
a los cálculos anteriormente realizados.
En el segundo escenario se mantendrán los ingresos por la venta de bonos de carbono,
pero no se acogerá a los beneficios dispuestos por la Ley 1715 de 2014. En escenario
número 3, tendrá en cuento los beneficios tributarios, pero no dispondrá de los ingresos
por venta de carbono. Finalmente en el último escenario no se tendrán en cuenta ni los
beneficios tributarios dispuestos por la Ley ni los ingresos por venta de carbono.
Para los escenarios con beneficios tributarios se ha contemplado una acogida a la ley 1715
de 2014 logrando así estar exento de IVA y aranceles, obtener una depreciación acelerada
de los equipos al 20% anual y una reducción del 50% sobre renta anual en los primero 5
años. En los demás escenarios se ha contemplado un porcentaje de IVA y Arancel del 29%
con una deducción de renta anual del 1.4% del valor de la inversión y una depreciación lenta
de 5% anual.
Tabla 26. Características económicas
Inversión Inicial sin Aranceles y Beneficios $305,330
Inversión Inicial con aranceles e IVA $381,663
IVA 25%
Arancel 29%
Deducción a la renta con beneficios 0.40%
Deducción a la renta sin beneficios 1.40%
Precio de la energía 0.091 USD/kWh
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Figura 26. VAN 4 escenarios
Como se puede observar el escenario 1 y 2 son los escenarios positivos, lo que deja ver la
importancia de los beneficios tributarios y arancelarios y principalmente los beneficios
obtenidos de la venta de los bonos de carbono en ambos escenarios. En los escenarios 3 y
4 se obtienen valores VAN negativos, lo que haría el proyecto económicamente inviable.
En el escenario 3 bastaría con reducir los gastos de inversión y obtener un precio de venta
de la energía más favorable para obtener valores positivos. El último escenario muestra la
imposibilidad de desarrollo del proyecto bajo esas condiciones.
$798,592.63
$133,308.09
($23,107.37)
($651,051)
($800,000.00)
($700,000.00)
($600,000.00)
($500,000.00)
($400,000.00)
($300,000.00)
($200,000.00)
($100,000.00)
$0.00
$100,000.00
$200,000.00
$300,000.00
$400,000.00
$500,000.00
$600,000.00
$700,000.00
$800,000.00
$900,000.00
VA
N
Valor Presente Neto 4 escenarios
Escenario 1
Escenario 2
Escenario 3
Escenario 4
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
8. CONCLUSIONES
A partir del estudio de biomasa realizado, se considera a la Opuntia Ficus Indica como un
candidato óptimo para ser empleado como combustible en la generación de energía
eléctrica por medio de digestión anaeróbica. De igual forma y debido a la resistencia a las
altas temperaturas y sequias y un factor de crecimiento relativamente alto se puede
determinar que sus costos de producción y utilización en la degradación sean bajo en
comparación de otras biomasas.
La selección de equipos se hizo con base en las características del biogás generado, para así
optimizar el proceso de degradación y de generación de energía eléctrica. A su vez la
selección deja abierta la posibilidad de una expansión, gracias al aumento en el ratio de
producción generando así un incremento en la energía generada y una reducción en costos
operativos.
Se logró determinar que para un área de producción de 100 Ha con una productividad de
100 ton/Ha/año de nopal se requiere de un motor de generación de energía eléctrica con
una potencia nominal de 220kW, el cual fue seleccionado a partir del balance energético
entre el gas generado por el proceso de digestión anaeróbica y el consumo de combustible
del motor.
El proyecto requiere una inversión total inicial correspondiente a $305,330, y para el cual
en el año 0 se estiman unos gastos de operación de $67,000. Generando así unos gastos
totales iniciales de $372,330 en el año 0, año de partida del proyecto. Dentro de los costos
de inversión el digestor anaeróbico es el que tiene mayor aportación, teniendo una
participación del 58% sobre el CAPEX. Por lo que si se desea realizar una reducción en el
valor de inversión inicial se deberá considerar más opciones de reactores de los
considerados en este informe.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
Es importante resaltar que la favorable rentabilidad del proyecto se debe en gran medida
a la venta de los bonos de carbono, por lo que se hace indispensable en caso de no tener
esta alternativa, buscar locaciones donde el precio de la energía en bolsa sea mayor, y así
obtener mayores ingresos por la venta de energía o lograr pactar un precio de venta a un
usuario no registrados o a un agente generador a un precio más favorable.
Con una tasa del 3.51% de inflación y dentro de un escenario de estudio a 20 años se
obtiene un VAN de $798,592.63 con una tasa interna de retorno de 20%, lo que comprueba
que el proyecto se determina rentable bajo las condiciones propuestas anteriormente.
En general el desarrollo del proyecto traería beneficios altamente positivos como lo son la
diversificación de la canasta energética actual del país, la reducción de emisiones de gases
de efecto invernadero, la generación de empleo y abre la posibilidad a nuevas líneas de
investigación que permitan profundizar en la generación de energía eléctrica a partir de
material lignoceluloso no convencional.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
BIBLIOGRAFÍA
1. Petroleum, British. BP Energy Outlook. 2019.
2. S.A., XM. Informe General del Mercado Febrero 2020. 2020.
3. Forum, World Economic. Global Energy Architecture Performance Index Report. Geneva :
s.n., 2017.
4. Gomez, Claudius Da Costa. Biogas as an energy option: an overview. Germany :
Woodhead, 2013.
5. Rintala, Prasad Kaparaju. Jukka. Generation of heat power from biogas for stationary
applications: boilers, gas engines and turbines, conbined heat and power (CHP) plants and
fuel cells. Finland : s.n., 2013.
6. Thamsiriroj, Jerry D. Murphy. Thanasit. Fundamental Science and Engineerinf of the
anaerobic digestios process for biogas production. Ireland : s.n., 2013.
7. Fedebiocombustibles. Noletin N° 176 - Biocombustibles. 2018.
8. Energy, XUA. Transformas para Diversificar la energía. Bogotá : s.n., 2020.
9. Opuntia ficus.indica cladodes as feedstock for ethanol productio by Kluyveromyces
marxianus and Saccharomyces cerevisiae. Olukayode O. Kuolo, James C. du Preez. 2013.
10. Pérez, Candelario Mondragón- Salvador. Cactus (Opuntia spp.) as forage FAO. 2002.
11. Nopal, fuente excepcional de energía renovable limpia y sustentable. El oro verde de
Mexico. El Santo Grial de las Energías Renovables. Madera, Miguel Aké. Mexico : s.n., 2014.
12. Producción de Biogás con nopal. Arvizu, José Luis. Mexico : s.n., 2015.
ESTUDIO DE VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA A PARTIR DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA DEL CACTUS NOPAL EN
COLOMBIA.
13. Agency, International Energy. Statistics- Renewables Information. 2019.
14. Anaerobic digestion of different feedstocks: Impact on energetic and environmental
balances of biogas process. Jacopo Bacenetti, Marco Negri. s.l. : ELSEVIER, 2013.